По ту сторону кванта
Шрифт:
К этой простой и важной мысли пришли только два года спустя (в 1859 году) два профессора: Густав Роберт Кирхгоф (1824–1887) и Роберт Вильгельм Бунзен (1811–1899). В Гейдельберге, в старой университетской лаборатории, они поставили несложный опыт. До них через призму пропускали либо только луч Солнца, либо только свет от спиртовки. Кирхгоф и Бунзен пропустили и то и другое сразу и обнаружили явление, о котором стоит рассказать подробно.
Если на призму падал только луч Солнца, то на шкале спектроскопа они видели спектр Солнца с тёмной линией D на своём обычном месте. Тёмная линия по-прежнему оставалась на месте и в том случае, когда исследователи
Потом они луч Солнца заменяли светом от раскалённого тела — результат был всегда тот же: на месте ярко-жёлтой линии возникала тёмная. То есть всегда пламя спиртовки поглощало те лучи, которые оно само испускало.
Чтобы понять, почему это событие взволновало двух профессоров, проследим за их рассуждениями.
Ярко-жёлтая линия D в спектре пламени спиртовки возникает в присутствии натрия.
В спектре Солнца на этом же месте находится тёмная линия неизвестной природы.
Спектр луча от любого раскалённого тела — сплошной, и в нём нет тёмных линий. Однако если пропустите такой луч через пламя спиртовки, то его спектр ничем не отличается от спектра Солнца — в нём также присутствует тёмная линия и на том же самом месте. Но природу этой тёмной линии мы уже почти знаем во всяком случае, мы можем догадываться, что она принадлежит натрию.
Следовательно, в зависимости от условий наблюдения линия D натрия может быть либо ярко-жёлтой, либо тёмной на жёлтом фоне. Но в обоих случаях присутствие этой линии (всё равно какой — жёлтой или тёмной!) означает, что в пламени спиртовки есть натрий.
А поскольку такая линия спектра пламени спиртовки в проходящем свете совпадает с тёмной линией D в спектре Солнца, то, значит, и на Солнце есть натрий. Причём он находится в газовом внешнем облаке, которое освещено изнутри раскалённым ядром Солнца.
Короткая заметка (всего две страницы), которую написал Кирхгоф в 1859 году, содержала сразу четыре открытия:
1) у каждого элемента есть свой линейчатый спектр, то есть строго определённый набор линий;
2) эти линии можно использовать для анализа состава веществ не только на Земле, но и на звёздах;
3) Солнце состоит из горячего ядра и сравнительно холодной атмосферы раскалённых газов;
4) на Солнце есть натрий.
Первые три открытия были вскоре подтверждены, в том числе и гипотеза о строении Солнца: экспедиция, которую Французская академия наук в 1868 году во главе с астрономом Жансеном послала в Индию, обнаружила, что при полном солнечном затмении — в тот момент, когда его раскалённое ядро закрыто тенью Луны и светит только корона, — все тёмные линии в спектре Солнца вспыхивают ярким светом.
Вторую гипотезу сами Киргхоф и Бунзен уже в следующем году не только подтвердили, но и воспользовались ею для открытия двух новых элементов: рубидия и цезия.
В дальнейшем из этого скромного наблюдения над жёлтой двойной D-линией натрия родился спектральный
Всё это действительно интересно, но сейчас нам важно понять главное: что дали открытия Кирхгофа и Бунзена для науки об атоме и какова их связь с нашими прежними знаниями о нём?
Мы знаем теперь два вида спектров: сплошной (или тепловой) и линейчатый.
Тепловой спектр содержит все длины волн, излучается он при нагревании твёрдых тел и не зависит от их природы.
Линейчатый спектр состоит из набора отдельных резких линий, возникает при нагревании газов и паров (когда малы взаимодействия между атомами), и — что особенно важно — этот набор линий неповторим для любого элемента. Более того, линейчатые спектры элементов не зависят от вида химических соединений, составленных из этих элементов. Следовательно, их причину надо искать в свойствах атомов.
То, что элементы однозначно и вполне определяются видом линейчатого спектра, вскоре признали все: но то, что этот же спектр характеризует отдельный атом, осознали не сразу, а лишь в 1874 году благодаря работам знаменитого английского астрофизика Нормана Локьера (1836–1920). А когда осознали, сразу же пришли к неизбежному выводу: поскольку линейчатый спектр возникает внутри отдельного атома, то атом должен иметь структуру, то есть иметь составные части!
АТОМЫ
В 1865 году, когда появились работы Йозефа Лошмидта, об атомах знали немного: их представляли себе твёрдыми шариками размером примерно 10– 8 см и весом от 10– 24 до 10– 22 г. Каждому такому «шарику» можно приписать «атомный вес» — число, которое показывает, во сколько раз он тяжелее атома водорода. Например атомный вес кислорода равен 16, а гелия — 4. Отсюда просто заключить, что в 1 г водорода, в 4 г гелия или в 16 г кислорода (или, как принято говорить в химии, в одном грамм-атоме любого вещества) содержится одинаковое число атомов водорода гелия кислорода. Это число N=6,02•1023 — число Авогадро — мы уже однажды приводили.
Представлений об атомах — твёрдых шариках — было достаточно для объяснения многочисленных фактов из химии, теории теплоты и строения материи. Однако уже к 1870 году вполне оформилась мысль, что атом состоит из ещё более простых частиц, и физики принялись их искать. Прежде всего они стали исследовать электрические свойства атома.
Все вещества, как правило, электрически нейтральны. Однако при некоторых условиях они обнаруживают электрические свойства, например, если натирать стекло шерстью, янтарь — шёлком и тому подобное. Особенно отчётливо они проявляются в явлениях электролиза.